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SmartHelmet

开源智能头盔固件 — 跌倒/碰撞检测 · 心率血氧 · 烟雾报警 · 4G 上云 · 离线语音 · 彩屏 HUD

基于 STM32F103C8T6 · HAL 库 · STM32CubeMX + Keil MDK

Release Quality Gate Stars Last Commit Platform Lib License

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功能

  • 跌倒 / 碰撞检测 — MPU6050 Mahony 姿态解算，触发后红灯快闪至少 15 s，优先级最高
  • 烟雾监测 — MQ2 归一化趋势指数（清洁空气 ≈ 100），迟滞报警，黄灯快闪至少 5 s
  • 生命体征 — MAX30102 心率 / 血氧
  • 环境监测 — DHT11 温湿度
  • 4G 上云 — M100PG DTU 每秒上传一帧遥测，云端可下发 LED / 风扇命令
  • 离线语音 — ASRPro 语音控制 LED 与风扇档位，无需联网
  • 本地 HUD — ST7735 128×128 彩屏实时显示传感器数据
  • 风扇调速 — TB6612FNG PWM 驱动，0–3 四档

配套上位机 helmet-console — 浏览器端 WebSocket 控制台，集成实时终端、设备面板与 AI 助手。

目录结构

helmet/
├── APP/          应用层：传感器驱动、报警仲裁、通信、HUD、调度器
├── Core/         STM32CubeMX 生成的初始化与中断代码
├── Drivers/      STM32 HAL + CMSIS（勿手改）
├── MDK-ARM/      Keil 工程与启动文件
├── helmet.ioc    CubeMX 工程配置
└── Keilkill.bat  构建产物清理脚本

系统架构

裸机 + 轮询式协作调度器：APP/scheduler.c 基于 HAL_GetTick() 毫秒节拍执行静态任务表。 RGB LED 由 APP/helmet_alarm.c 统一仲裁，优先级：跌倒/碰撞红灯 > MQ2 黄灯 > 云端/语音设定的常态颜色。

                    +---------------------------+
                    |        ST7735 HUD         |
                    |  (PB0 SCL / PA7 SDA / PB1)|
                    +-------------▲-------------+
                                  │ lcd_app_task 200ms
+----------+  I2C1  +----------+  │
|  MPU6050 |◀──────▶|          │  │ helmet_alarm_task 20ms
|  Mahony  |        │          │  ▼ (RGB 仲裁优先级)
+----------+        │          │ +-----------+        +-----------+
+----------+  I2C2  │          │ │  RGB LED  │◀──────▶│ helmet_   │
| MAX30102 |◀──────▶│  STM32   │ │ PB12-14   │        │  alarm    │
+----------+        │ F103C8T6 │ +-----------+        +-----------+
+----------+ 1-Wire │   72MHz  │ +-----------+
|  DHT11   |◀──────▶│   裸机   │ │ TB6612FNG │  TIM3_CH1 PWM
+----------+        │  调度器  │ │ + 风扇    │◀────────────┐
+----------+   ADC  │          │ +-----------+             │
|   MQ2    |◀──────▶│          │                           │
+----------+   DMA  │          │              motor_speed_0..3
                    │          │ USART1   +----------------▼----+
                    │          │◀────────▶│  ASRPro 离线语音    │
                    │          │  IT      │  led_on/off/motor   │
                    │          │ USART2   +---------------------+
                    │          │◀────────▶+---------------------+
                    +----------+ DMA-IDLE │ M100PG 4G DTU       │
                                          │ → WebSocket / 浏览器│
                                          +---------------------+
模块 周期 职责
m100pg + m100pg_protocol 10 ms 4G 收发、遥测上传、下行命令解析
asrpro 10 ms 离线语音命令解析
mpu6050 10 ms Mahony 姿态解算、跌倒/碰撞检测
helmet_alarm 20 ms RGB 报警仲裁（唯一直写 LED 的模块）
max30102 50 ms 心率 / 血氧
mq2 100 ms 烟雾趋势指数与报警
lcd_app + st7735 200 ms HUD 脏刷新
dht11 1000 ms 温湿度
rgb_led / pwm_motor — LED / 风扇底层驱动

启动流程：HAL_Init → 72 MHz 时钟 → CubeMX 外设初始化 → 各模块 *_init() → scheduler_run() 主循环。

硬件与引脚

主控 STM32F103C8T6（Cortex-M3 @ 72 MHz，64 KB Flash / 20 KB SRAM），HSE 8 MHz（PD0/PD1）× PLL9。

器件 用途 接口 引脚
MPU6050 姿态解算、跌倒/碰撞检测 I2C1 400 kHz PB6 (SCL) / PB7 (SDA)
MAX30102 心率 / 血氧 I2C2 400 kHz PB10 (SCL) / PB11 (SDA)
DHT11 温湿度 单总线 PA8
MQ2 烟雾 ADC1 + DMA PA0
ST7735 1.44" 128×128 HUD 显示 软件 SPI PB0 (SCL) / PA7 (SDA) / PB1 (DC)
TB6612FNG 风扇驱动 TIM3_CH1 PWM PB4 (PWMA)，PA11 / PA12 / PB15 (AIN2 / AIN1 / STBY)
RGB LED（共阴） 状态 / 报警指示 GPIO PB12 / PB13 / PB14 (R / G / B)
M100PG 4G 上云 USART2 115200-8N1，RX DMA PA2 (TX) / PA3 (RX)
ASRPro 离线语音 USART1 115200-8N1，RX 中断 PA9 (TX) / PA10 (RX)
SWD 调试烧录 J-Link / ST-Link PA13 / PA14

快速开始

环境准备

工具 版本 用途
Keil MDK-ARM ≥ V5.32 编译、调试、烧录
J-Link / ST-Link — SWD 烧录器
STM32CubeMX + FW_F1 6.17 / V1.8.7 仅修改外设配置时需要

编译与烧录

git clone https://github.com/rsecss/helmet.git
  1. Keil 打开 MDK-ARM/helmet.uvprojx
  2. F7 编译
  3. 连接 SWD（PA13 / PA14），F8 下载

上电验证

  • HUD 显示自检色块，随后进入传感器数据页
  • RGB LED 默认熄灭
  • 4G 入网后每秒上传一帧遥测（见通信与控制）

清理构建产物运行 Keilkill.bat。外设配置只通过 helmet.ioc 在 CubeMX 中修改后重新生成，手写代码放在 USER CODE BEGIN/END 块内。

通信与控制

两条控制通道共用一套命令字典：云端经 M100PG 4G 下发（浏览器端控制台由 helmet-console 提供），本地经 ASRPro 离线语音识别。报警期间下发的 LED 颜色仅暂存，报警解除后自动生效。

遥测上行（4G，每秒一帧）

UTF-8 文本行，\n 结尾；WebSocket 封包由 4G 模块负责，MCU 只透传文本。协议细节见 APP/m100pg_protocol.h。

temp=23,hum=60,mq2=120,mq2_alarm=0,pitch=1.2,roll=-0.5,yaw=180.0,fall=0,collision=0,hr=72,spo2=98,led=white,motor=2
字段 含义
temp / hum 温度 °C / 湿度 %
mq2 / mq2_alarm 烟雾趋势指数 / 报警 0-1
pitch / roll / yaw 姿态欧拉角
fall / collision 跌倒 / 碰撞 0-1
hr / spo2 心率 bpm / 血氧 %（0 = 无效）
led / motor LED 颜色与风扇档位镜像

控制命令（4G 下行 / 离线语音）

命令 动作 4G 语音
led_on / led_off LED 白光开 / 关 ✔ ✔
led_color_white / led_color_red / led_color_green 设定 LED 颜色 ✔ —
motor_speed_0 .. motor_speed_3 风扇档位 {0, 33, 66, 100}% ✔ ✔
ping / pong 心跳，静默忽略 ✔ —

语音接线 ASR_TX → PA10、ASR_RX → PA9（115200-8N1）；命令为小写英文 + \n，严格等长匹配（不做模糊 / 大小写转换）。USART1 为纯语音串口，printf 调试输出默认关闭，需要时打开 APP/asrpro.h 中的 ASRPRO_ENABLE_USART1_DEBUG 重新编译。

许可证

Apache License 2.0

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基于 STM32F103 的开源智能安全头盔固件:跌倒/碰撞检测、心率血氧、烟雾报警、4G 上云与离线语音控制,配套浏览器端 WebSocket 控制台

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